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LM317可调式集成稳压电源的设计_图文

时间:2011-07-13

第 10卷第 6 期 2008年 12 月

遵义师范学院学报 Journal of Zunyi Normal College

Vol.10, No.6 Dec.2008

LM317 可调式集成稳压电源的设计

安 玉 1,2,傅兴华 1,吴有林 2

(1.贵州大学 电子科学与信息技术学院,贵州 贵阳 550025;2.遵义师范学院 物理系,贵州 遵义 563002 )

摘 要:LM317 系列芯片是目前应用较为灵活的集成稳压器,本文对由 LM317 构成可调式稳压电源的各部份电路组

成、基本工作原理、器件的要求、电源保护功能等作了较为详细的介绍,给出了设计过程的基本理论及实测数据。

关健词:降压;整流,滤波;稳压

中图分类号:O433

文献标识码:A

文章编号:1009-3583(2008)-06-0057-02

Tunable Voltage-stabilizing Power Modulated by LM317 Molectron AN Yu, FU Xing-hua, WU You-lin
(1.College of Electronic Science&Informatation Technology, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2.Department of Physics, Zunyi Normal College, Zunyi 563002, China)
Abstract: The chip series of LM317 is a nimble integrated circuit manostat at present. The design of, circuit units, funda- mental principle, requirement of components, and power protection of tunable voltage -stabilizing power comprised by LM317 molectron introduced in detail in this paper. Design theory and some measured data are presented too. Key words: voltage dropping; commutation; wave filtering; voltage-stabilizing

LM317 是固定集成稳压器芯片,经过对外围电 路的改进设计,可以达到大范围的输出电压调整,不 仅能满足一般小功率设备对直流电源的要求,已能 满足教学上各种综合实验的需要,是各类高校理工 类电子技术及相关专业开展综合整机线路设计的理 想器件之一,本文将对可调式电源设计作比较详细 的分析。 1 电路的组成与结构原理
稳压电源一般分为 5 部分,即交流降压电路、整 流电路、滤波电路、稳压电路、保护电路。由 LM317 组成的稳压电源原理图如图 1 所示,交流 220V 电
图 1 LM317 可调式集成稳压电源原理图

压经电源变压器降压整流得到直流电压 Vin,此电 压通过滤波电路输入到集成稳压器输入端,在集成 稳压器输出端可到 1.25~37V 直流电压,电路原理图 如下[1]: 1.1 集成稳压器的自身保护原理
为获得较高的输出电压值,LM317 稳压器的调 节端与地之间的电阻 R2 值及其压降往往较大,在 R2 两端并接一个小于 10μF 的电容 C3,可有效地抑制 输出端的纹波。由于稳压器在 1∶1 的深度负反馈下 工作,当输出端负载为容性的某一值时,稳压器有可 能出现自激现象。因此,在稳压器的输入端接入 0.1μF 的电容 C2,输出端接入 470μF 的电解电容 C5,提供足够的电流供给,同时可以防止可能发生的 自激振荡以及减小高频噪声和改善负载的瞬态响 应。当输入端发生短路时,C5 通过稳压器的调整管放 电,C5 值较大,则放电时的冲击电流很大,电压会通 过稳压器内部的输出晶体管放电,可能造成输出晶 体管发射结反向击穿。为此,在稳压器两端并接二极 管 D2,输入端短路时 C5 通过 D2 放电,保护稳压器。

收稿日期:2008-07-14 作者简介:安玉,女,贵州遵义人,遵义师范学院物理系高级实验师,贵州大学在读硕士。
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第 10 卷第 6 期

遵义师范学院学报

2008 年 12 月

1.2 过流保护原理 过流保护电路是电源电路中不可缺少的一个组
成部分,根据其控制方法大致可以分为关断方式和 限流方式,本电路考虑到教学和学生开展综合设计 试验的特殊性,采用关断方式。图中 V2 为保护三极 管,R5 为保护取样小电阻。当负载电流小于或等于 额定输出电流时,在 R5 上产生的压降较小,V2 仍工 作在截止状态,电源正常工作,稳压器输出端输出正 向直流电压。
当输出电流超过额定电流时,R5 上的压降增 加,通过设定 R4、C4 的值,一但电流超出最大电流 时,使电容 C4 两端电压达到 V2 的导通电压,则 V2 导通,强制稳压器的输出电压降为基准电压 1.25V。

图 2 保护电路原理图

2 主电路设计

2.1 集成稳压器的设计及芯片选择

在选择集成稳压器时,应该兼顾性能、使用和价

格几个方面。性能指标主要根据负载电压电流的大

小、调整率的高低以及工作稳定范围的宽窄,同时其

有较高的稳压精度、较高的纹波抑制比和较好的输

出电压温度特性,因此,选 LM317HVK,其主要技术

指标为输出电流 1.5~2.2(A),输出电压可以在 1.2~

45(V)之间可调,耗散功率为 20(W),可见完全能满

足一般小功率设备和电子类综合设计实验的要求。

另一方面,为了保证稳压器在空载时也能正常

工作.则流过电阻 R1 的电流不能太小。一般取 IR1=5~

10mA, 故 R1=VREF/IR1=1.25/(5~10)×10-3≈120~240Ω,

式中 VREF 为稳压器基准电压 。 而输出电压 U0 与 VREF、R1、R2 有以下关系[1]:

V0=VREF+(IR1+Iadj)R2=(1+R2/R1)VREF+IadjR2

(1)

调节电阻 R2,即可改变输出电压的大小。由于

Iadj 很小(只有 50μA),所以式(1)可写为

Uo=(1+R2/R1)VREF=1.25(1+R2/R1)

(2)

由式(2)求得 R2=(0.8U0-1)R1。

2.2 整流滤波电路设计

桥式整流滤波电路要确定整流二极管以及滤波

电容值。

2.2.1 整流二极管的选择

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选择二极管要依据二极管的反向耐压 VRM 和正 向电流 IF。由于滤波电容的容量愈大,二极管导通角 愈小,通过二极管脉冲电流的幅度愈大,因此,整流 管的幅值电流必须加以考虑。流过整流管的平均电 流 ID=Ii/2,Ii=IR2+I0,IR2=IR1+Iadj≈0.01A (式中 Ii 为稳压 器的输入电流,IR1、IR2、Iadj 分别为流过 R1、R2,以及调 整端的电流),则 ID=(0.01+I0)/2。考虑到电容充电电流 的冲击,正向电流一般取平均电流的 2~3 倍。二极管

最大反向电压,Udmax= 姨 2

U2=

姨2 1.2

Ui,式中 U2 为电

源变压器次级电压有效值,Ui 为整流输出电压(即稳

压器输入电压)。为了保证稳压器 LM317 稳定运行,

输入电压 Ui 与输出电压 U0 之差一般在 5~15V 范

围,取 Ui-U0=10V,得 Udmax=1.2Ui=1.2 (U0+10)=12+

1.2U0。设计时可考虑一定的余量。

2.2.2 滤波电容设计

滤波电解电容 C1 的选择原则是:取其放电时间

常数 RLC1 大于充电周期的 3~5 倍,其耐压值 Uc 必

须大于脉动电压峰值。对于桥式整流电路来说,脉动

电压峰值为 2U2,C3 的充电周期等于交流电源周期 T

的一半,即

C1≥(3~5)

T 2RI

,式中 RI

为整流后的等效

负载电阻,而 RI=Ui/Ii=(10+U0)/(0.0l+I0),代入式中即

可确定 C1 值

2.3 电源变压器设计

在串联稳压电路中,确定变压器的二次电压很

重要。如果为了有富余而把二次电压做得较高,就会

增加调整管的损耗,这样得相应地增大散热器。因

此,要设计出性能优良的电源,变压器的参数值往往

要经过多次调整。这里采用近似计算的方法来确定

U2 和 I2[2]。

U2=Ui/1.2=0.83(10+Uo)

I2=(1.5~2)Ii=(1.5~2)×(0.01+Io)

2.4 芯片的散热设计

稳压器的最大允许功耗取决于芯片的最高结温

TjM,当 T<TjM 时稳压器才能正常工作。因此,稳压器的

散热能力愈强, 结温就愈低,它所能承受的功率也愈

大。稳压器的散热能力取决于它的热阻给半导体器

件加散热片后可减小总热阻。若令 Rθ1 表示从结到

器件外壳的热阻,Rθ2 表示从器件外壳到散热片表面

的热阻,RθA 表示从结到散热片表面的热阻,则 RθA=

Rθ1+Rθ2。若令 Rθd 表示散热片到周围空气的热阻,Rθ’

表示加散热片后结到空气的总热阻,则 Rθ’=RθA+

Rθd。设集成稳压器的最高允许结温为 TjM,最高环境

温度为 TAM,

(下转 61 页)

董水金等·积分变换仿真在电路动态分析中的应用
ylabel('i(t)(A)'); 可得负载电流的表达式为:i (t)=100/7-100/7e-3tcosh 姨 2 t+575/14e-3t姨 2 sinh 姨 2 t(A) 电流的变化曲线如图 8 所示。

图 6 交流激励电路(图 5)仿真波形

图 7 含受控源电路例图

由戴维南定理可得 S 域的负载电流表达式为:

I(s)=

125(0.8+s) s(s2+6s+7)

编入程序

syms I i t s; I=( (125*(0.8+s))/(s*(s^2+6*s+7)));

t=linspace(0,pi);

i=ilaplace(I)

i=100/7-100/7*exp(-3*t).*cosh(2^(1/2)*t)+575/14*exp

(-3*t).*2^(1/2).*sinh(2^(1/2)*t)

plot(t,i);

xlabel('t(s)');

图 8 含受控源电路仿真波形
4 结束语 动态电路发生的过渡过程时间短暂,但在工程
技术中意义重大,过渡过程有可能产生过电压和过 电流现象,其数值要比正常的额定值大得多,可导致 元件击穿、绝缘老化、机械损坏,必须采取措施加以 防止。在研究动态电路中,能获得变化电压或电流的 猝变曲线很重要,本文提供了相关例子。对于涉及猝 变的其它物理现象,也有一定参考作用。
参考文献: [1]李瀚荪. 电路与磁路[M]. 北京:中央广播电视出版社,1994.
476-479. [2]秦曾煌.电工学[M].北京:高等教育出版社,1999. 220-223.
(责任编辑:朱 彬)

(上接 58 页) 加散热器后器件的功耗为 PD,则有关 系式(3)[2]。

PD=

TJM-TAM Rθ'

= TJM-TAM RθA-Rθd

(3)

器件的最大功耗必须满足 PDM≤PD

3 实验结果

在交流供电电压 220(1±10%)V,输出额定电压

U0=24V,额定功率 P0=15W,额定电流 I0=0.625A 时,

允许的短路时间为 ts=500ms,允许的保护电流额定

值 Ic=2A,允许的最高环境温度 TAM=+45℃,输出特 性 Un=24V,In=0~1A:电压稳定度 Sv≤5×10-6;负载

稳定度 S1≤5×10-5;温度系数 α≤1×10-5/℃。

4 结束语 综上所述,采用 LM317 系列集成稳压器设计的
小功率直流电源,电路结构简单,效率高,成本低,输 出电压性能好,有着很好的应用前景。
参考文献: [1]陈大钦.电子技术术基础实验[M].北京:高等教育出版社 ,
2000.97,98. [2]叶致诚.电子技术术基础实验[M].北京:高等教育出版社,
1998.195,196,197. [3]童诗白.模拟电路基础(第三版)[M].北京:高等教育出版社,
2000. (责任编辑:朱 彬)

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